專利名稱：陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池及其產(chǎn)電的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域；具體涉及陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池及其產(chǎn)電的方法。
背景技術(shù)：
二甲醚(Dimethyl ether, DME)是最簡單的醚類，分子式為CH3OCH3，分子中不含 C-C鍵更易被完全氧化成C02。它毒性很低，解決了 DMFC中甲醇毒性問題。易壓縮成液體 (0. 6MPa)，儲存和運(yùn)輸方便，克服了 PEMFC中燃料難于儲運(yùn)等問題。DME來源豐富，可從煤、 石油、天然氣和生物等多種原料獲得，是一種清潔可再生易儲存的能源。DME偶極矩小，分子體積較甲醇大，在質(zhì)子交換膜中的滲透量比甲醇低一個數(shù)量級，大大降低了燃料滲透對電池性能的影響。DME在常溫常壓下為無色有醚香味的氣體，沸點(diǎn)-24. 9°C，可溶于水及醇、丙酮、四氯化碳、苯等溶劑，在水中的溶解度隨溫度的升高而降低。因此電池可在氣體和水溶液兩種進(jìn)料方式下工作。直接二甲醚燃料電池(DDFC)陽極以二甲醚為燃料，陰極以空氣或氧氣為氧化劑，是一種新型的直接型導(dǎo)電聚合物燃料電池。DDFC具有導(dǎo)電聚合物燃料電池啟動速度快的優(yōu)點(diǎn)，可用作動力電源、移動便攜式電源。G. Kerangueven文獻(xiàn) 1 :G. Kerangueven ；C. Coutanceau ；E. Sibert, Methoxy methane(dimethyl ether)as an alternative fuel for direct fuel cells, "Journal of Power Sources 157 (2006) 318-324”和 Kedi Cai文獻(xiàn) 2:Kedi Cai ；Geping Yin, Comparative Investigation ofDimethyIEther Gas and Solution under Direct Type Fuel Cell,"Electrochemical and Solid-State Letters. 2008,11(11) :B205-B207”對比了氣體二甲醚進(jìn)料方式與飽和二甲醚水溶液進(jìn)料兩種進(jìn)料方式下單體電池性能，認(rèn)為氣體二甲醚進(jìn)料方式性能低于二甲醚水溶液進(jìn)料方式的原因在于二甲醚陽極反應(yīng)需要足夠的水，當(dāng)二甲醚以氣態(tài)形式進(jìn)料時及使在飽和加濕的情況下仍不能滿足陽極反應(yīng)需求，因此造成其性能低于二甲醚水溶液進(jìn)料方式。當(dāng)直接二甲醚燃料電池采用二甲醚飽和水溶液方式進(jìn)料時，常溫下二甲醚飽和水溶液的濃度約為1.65mol/L，隨著電池工作溫度的升高， 二甲醚在水中的溶解度降低，大量二甲醚氣態(tài)從水中溢出，并且在燃料循環(huán)過程中隨CO2排空，陽極測參加反應(yīng)的二甲醚量不足，不但影響電池大電流放電時的性能，而且降低了燃料利用率。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決現(xiàn)有直接二甲醚(DME)燃料電池存在單一液體燃料進(jìn)料的直接二甲醚燃料電池存在陽極二甲醚進(jìn)量不足及單一氣體進(jìn)料的直接二甲醚燃料電池存在加濕不足的技術(shù)問題；而提供了陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池及其產(chǎn)電的方法。陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池主要由陽極流場板、陰極流場板、膜電極、端板、電熱片、導(dǎo)線和絕緣墊片構(gòu)成，膜電極位于陽極流場板和陰極流場板之間，陽極流場板和陰極流場板之間設(shè)置絕緣墊片，膜電極嵌在絕緣墊片內(nèi)且與陽極流場板相對，陽極流場板和陰極流場板的外側(cè)均設(shè)置有端板4，端板外側(cè)固定有加熱片，外電路通過導(dǎo)線與端板連接，膜電極依次由固體在一起的陽極擴(kuò)散層、陽極催化劑層、電解質(zhì)膜、陰極催化劑層和陰極擴(kuò)散層構(gòu)成，陽極流場板和陰極流場板采用石墨板；陽極流場板內(nèi)側(cè)設(shè)置液體流道和氣體流道，液體流道設(shè)置有進(jìn)液口和出液口，氣體流道設(shè)置有進(jìn)氣口，進(jìn)液口與進(jìn)液管的出口連通，出液口與出液管的進(jìn)口連通，進(jìn)氣口與進(jìn)氣管的出口連通。陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池產(chǎn)電的方法是通過下述步驟實(shí)現(xiàn)的以1 lOOmL/min流速將水或二甲醚溶液通入液體流道，同時以10 500mL/min流速將二甲醚氣體通入氣體通道，二甲醚在壓力作用下進(jìn)入擴(kuò)散層在常壓及反應(yīng)溫度為20 100°C條件下進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)輸出電流，然后進(jìn)入液體流道，再經(jīng)由出液口和出液管排出，即完成了陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池的產(chǎn)電。本發(fā)明陽極流場采用雙通道進(jìn)料可以增大進(jìn)料DME量，滿足陽極反應(yīng)所需要的水。本發(fā)明中氣體流道沒有設(shè)置出口，需要穿過擴(kuò)散層才能排除電池外，在陽極擴(kuò)散層內(nèi)形成強(qiáng)制對流，強(qiáng)制通過擴(kuò)散層，有利于陽極傳質(zhì)。
圖1是陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池組裝示意圖；圖3是液體流道為蛇型的陽極流場板示意圖；圖4是液體流道為梳子型的陽極流場板示意圖；5是膜電極結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是陽極分別采用液體流道為蛇型的氣液混合進(jìn)料流場與傳統(tǒng)流場的電池單體放電性能曲線圖，▲表示蛇型的陽極流場板的氣液混合進(jìn)料流場的極化曲線，▼表示二甲醚液體進(jìn)料流場的極化曲線，Δ表示蛇型的陽極流場板的氣液混合進(jìn)料流場的功率密度曲線，▽表示二甲醚液體進(jìn)料流場的功率密度曲線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實(shí)施方式
，還包括各具體實(shí)施方式
間的任意組合。
具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1-5進(jìn)行說明，陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池主要由陽極流場板1、陰極流場板2、膜電極3、端板4、電熱片5、導(dǎo)線6和絕緣墊片8構(gòu)成，膜電極3位于陽極流場板1和陰極流場板2之間，陽極流場板1和陰極流場板2之間設(shè)置絕緣墊片8，膜電極3嵌在絕緣墊片8之間且與陽極流場板1相對，陽極流場板1和陰極流場板 2的外側(cè)均設(shè)置有端板4，端板4外側(cè)固定有加熱片5，外電路7通過導(dǎo)線6與端板4連接， 膜電極3依次由固體在一起的陽極擴(kuò)散層3-1、陽極催化劑層3-2、電解質(zhì)膜3-3、陰極催化劑層3-4和陰極擴(kuò)散層3-5構(gòu)成，陽極流場板1和陰極流場2板采用石墨板；陽極流場板1 內(nèi)側(cè)設(shè)置液體流道10和氣體流道9，液體流道10設(shè)置有進(jìn)液口 11和出液口 12，氣體流道9 設(shè)置有進(jìn)氣口 13，進(jìn)液口 11與進(jìn)液管15的出口連通，出液口 12與出液管16的進(jìn)口連通， 進(jìn)氣口 13與進(jìn)氣管14的出口連通。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是所述液體流道10的寬度與氣體流道9相等。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖3進(jìn)行說明，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二不同的是所述液體流道10為蛇型流場，氣體流道9的形狀為梳子型，氣體流道9由氣體主流道 9-1和數(shù)個氣體支流道9-2構(gòu)成，氣體主流道9-1的出氣口與每個氣體支管道的進(jìn)氣口連通，氣體支流道9-2與蛇型流場的U型流道交替排布且相互平行。其它與具體實(shí)施方式
一或二相同。
具體實(shí)施方式
四結(jié)合圖4進(jìn)行說明，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二不同的是所述液體流道10的形狀為梳子型，氣體流道9的形狀為梳子型，液體流道10由液體主流道10-1和數(shù)個液體支流道10-2構(gòu)成，液體主流道9-1的出氣口與每個液體支管道的進(jìn)氣口連通，氣體流道9由氣體主流道9-1和數(shù)個氣體支流道9-2構(gòu)成，氣體主流道9-1的出氣口與每個氣體支管道9-2的進(jìn)氣口連通，氣體支流道9-2與液體支流道10-2交替排布且相互平行。其它與具體實(shí)施方式
一或二相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式中陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池產(chǎn)電的方法是通過下述步驟實(shí)現(xiàn)的以1 lOOmL/min流速將水或二甲醚溶液通入液體流道10，同時以10 500mL/min流速將二甲醚氣體通入氣體通道9，二甲醚(氣體二甲醚，或者是氣體二甲醚和二甲醚溶液中的二甲醚)在壓力作用下進(jìn)入擴(kuò)散層3-1在常壓及反應(yīng)溫度為20 100°C條件下進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)輸出電流，然后進(jìn)入液體流道10，再經(jīng)由出液口 12和出液管 16排出，即完成了陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池的產(chǎn)電。本實(shí)施方式所述方法陰極反應(yīng)按現(xiàn)有工藝進(jìn)行。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
五不同的是二甲醚氣體的流速為 50 400mL/min。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
五相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
五不同的是二甲醚氣體的流速為 100 300mL/min。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
五相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
五、六或七不同的是反應(yīng)溫度為 85°C。其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
五、六或七相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
五至八之一不同的是以20 60mL/min流速將水或二甲醚溶液通入液體流道10。其它步驟與參數(shù)與具體實(shí)施方式
五至八之一相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
五至八之一不同的是以50mL/min 流速將水或二甲醚溶液通入液體流道10。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
五至八之一相同。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式的陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池與具體實(shí)施方式
二不同的是所述液體流道10為蛇型流場，氣體流道9的形狀為梳子型，氣體流道9 由氣體主流道9-1和數(shù)個氣體支流道9-2構(gòu)成，氣體主流道9-1的出氣口與每個氣體支管道的進(jìn)氣口連通，氣體支流道9-2與蛇型流場的U型流道交替排布且相互平行。其產(chǎn)電的方法是通過下述步驟實(shí)現(xiàn)的以3mL/min流速將DME飽和水溶液通入液體流道10，同時以 50mL/min流速將二甲醚氣體通入氣體通道9，二甲醚在壓力作用下進(jìn)入擴(kuò)散層3_1在常壓及反應(yīng)溫度為50°C條件下進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)輸出電流，然后進(jìn)入液體流道10，再經(jīng)由出液口 12和出液管16排出，即完成了陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池的產(chǎn)電。陰極氧氣流速200mL/min。膜電極的材料陽極擴(kuò)散層-PTFE含量18%的碳紙作為基底，微孔層PTFE含量20%，碳粉載量lmg/cm2，催化層-Nafion含量20%，催化劑為40% Pt/C，貴金屬載量^ig/
2
cm ο陰極擴(kuò)散層-PTFE含量30%的碳紙作為基底，微孔層PTFE含量30%，碳粉載量 lmg/cm2催化層-Nafion含量20 %，催化劑為40 % Pt/C,貴金屬載量ang/cm2。在相同條件下，陽極采用單蛇型流場，結(jié)果如圖6所述，由圖可知本實(shí)施方式電池單體的放電性能高于現(xiàn)有的液相進(jìn)料的流場。
具體實(shí)施方式
十二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十一不同的是所述液體流道10 的形狀為梳子型，氣體流道9的形狀為梳子型，液體流道10由液體主流道10-1和數(shù)個液體支流道10-2構(gòu)成，液體主流道9-1的出氣口與每個液體支管道的進(jìn)氣口連通，氣體流道9 由氣體主流道9-1和數(shù)個氣體支流道9-2構(gòu)成，氣體主流道9-1的出氣口與每個氣體支管道9-2的進(jìn)氣口連通，氣體支流道9-2與液體支流道10-2交替排布且相互平行。其它與具體實(shí)施方式
十一相同。
具體實(shí)施方式
十三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十一不同的是以lOmL/min流速將水通入液體流道10，同時以lOOmL/min流速將二甲醚氣體通入氣體通道9。其它與具體實(shí)施方式
十一相同。
權(quán)利要求
1.陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池，它主要由陽極流場板(1)、陰極流場板O)、 膜電極(3)、端板G)、電熱片(5)、導(dǎo)線(6)和絕緣墊片⑶構(gòu)成，膜電極(3)位于陽極流場板(1)和陰極流場板( 之間，陽極流場板(1)和陰極流場板( 之間設(shè)置絕緣墊片(8)， 膜電極C3)嵌在絕緣墊片(8)內(nèi)且與陽極流場板(1)相對，陽極流場板(1)和陰極流場板 (2)的外側(cè)均設(shè)置有端板(4)，端板(4)外側(cè)固定有加熱片(5)，外電路(7)通過導(dǎo)線(6)與端板(4)連接，膜電極C3)依次由固體在一起的陽極擴(kuò)散層(3-1)、陽極催化劑層(3-2)、電解質(zhì)膜(3-3)、陰極催化劑層(3-4)和陰極擴(kuò)散層(3- 構(gòu)成，陽極流場板(1)和陰極流場 (2)板采用石墨板；其特征在于陽極流場板(1)內(nèi)側(cè)設(shè)置液體流道(10)和氣體流道(9)，液體流道(10)設(shè)置有進(jìn)液口(11)和出液口(12)，氣體流道(9)設(shè)置有進(jìn)氣口(13)，進(jìn)液口 (11)與進(jìn)液管(15)的出口連通，出液口(12)與出液管(16)的進(jìn)口連通，進(jìn)氣口(13)與進(jìn)氣管(14)的出口連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池，其特征在于液體流道 (10)的寬度與氣體流道(9)相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池，其特征在于所述液體流道(10)為蛇型流場，氣體流道(9)的形狀為梳子型，氣體流道(9)由氣體主流道(9-1) 和數(shù)個氣體支流道(9- 構(gòu)成，氣體主流道(9-1)的出氣口與每個氣體支管道的進(jìn)氣口連通，氣體支流道(9- 與蛇型流場的U型流道交替排布且相互平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池，其特征在于所述液體流道(10)的形狀為梳子型，氣體流道(9)的形狀為梳子型，液體流道(10)由液體主流道 (10-1)和數(shù)個液體支流道(10- 構(gòu)成，液體主流道(10-1)的出液口與每個液體支管道的進(jìn)液口連通，氣體流道(9)由氣體主流道(9-1)和數(shù)個氣體支流道(9- 構(gòu)成，氣體主流道 (9-1)的出氣口與每個氣體支管道(9-2)的進(jìn)氣口連通，氣體支流道(9- 與液體支流道 (10-2)交替排布且相互平行。
5.利用權(quán)利要求1所述的陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池產(chǎn)電的方法，其特征在于陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池產(chǎn)電的方法是通過下述步驟實(shí)現(xiàn)的以1 IOOmL/ min流速將水或二甲醚溶液通入液體流道(10)，同時以10 500mL/min流速將二甲醚氣體通入氣體通道(9)，二甲醚在壓力作用下進(jìn)入擴(kuò)散層(3-1)在常壓及反應(yīng)溫度為20 100°C條件下進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)輸出電流，然后進(jìn)入液體流道(10)，再經(jīng)由出液口(1 和出液管(16)排出，即完成了陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池的產(chǎn)電。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池產(chǎn)電的方法，其特征在于二甲醚氣體的流速為50 400mL/min。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池產(chǎn)電的方法，其特征在于二甲醚氣體的流速為100 300mL/min。
8.根據(jù)權(quán)利要求5、6或7所述的陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池產(chǎn)電的方法，其特征在于反應(yīng)溫度為85°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池產(chǎn)電的方法，其特征在于以20 60mL/min流速將水或二甲醚溶液通入液體流道(10)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池產(chǎn)電的方法，其特征在于以50mL/min流速將水或二甲醚溶液通入液體流道(10)。
全文摘要
陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池及其產(chǎn)電的方法，它屬于燃料電池領(lǐng)域。本發(fā)明解決現(xiàn)有單一液體燃料進(jìn)料的直接二甲醚燃料電池存在陽極二甲醚進(jìn)量不足及單一氣體進(jìn)料的直接二甲醚燃料電池存在加濕不足的技術(shù)問題。本發(fā)明陽極流場板同時設(shè)有液體流道和氣體流道。本發(fā)明以1～100mL/min流速將水或二甲醚溶液通入液體流道，同時以10～500mL/min流速將二甲醚氣體通入氣體通道，二甲醚在壓力作用下進(jìn)入擴(kuò)散層，然后達(dá)液體流道，再經(jīng)由出液口和出液管排出，處于溶液中的二甲醚以及氣體二甲醚在常壓及反應(yīng)溫度為20～100℃條件下進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)輸出電流，即完成了陽極雙通道進(jìn)料直接二甲醚燃料電池的產(chǎn)電。本發(fā)明用于產(chǎn)電。
文檔編號H01M8/10GK102315464SQ20111024444
公開日2012年1月11日 申請日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月25日
發(fā)明者尹鴿平, 張娜, 杜春雨, 王振波, 邢樂紅 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)